CN1114711C

CN1114711C - 铁基耐热合金

Info

Publication number: CN1114711C
Application number: CN00109561A
Authority: CN
Inventors: 林晖
Original assignee: Individual
Current assignee: Lin Hui; Shanghai New Water Mstar Technology Ltd
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2003-07-16
Anticipated expiration: 2020-07-04
Also published as: CN1315586A

Abstract

一种铁基合金属于金属材料领域。由Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体构成，其原子百分比范围为：10-80原子%铁，10-45原子%铝，1-70原子%铬及0.9-15原子%碳，折算成重量百分比为：12.3-87.0%铁，5.3-29.0%铝，1.2-78.3%铬及0.2-3.9%碳。本发明已具有实质性特点和显著进步，而且本发明合金比铁镍基合金的材料费用更低，比传统含镍的钢种，如不锈钢、耐热钢和耐热合金要轻20-25%和便宜20-80%，本合金比铁镍基合金或镍基合金增压器涡轮机更加抗氧化。

Description

铁基耐热合金

技术领域

本发明涉及的是一种铁基合金，特别是一种铁基耐热合金，属于金属材料领域。

背景技术

目前，在耐热结构上最常用的材料是上述含镍的耐热钢、耐热合金和高温合金。然而，由于这类耐热钢、耐热合金和高温合金具有比较高的比重，促使人们寻求一种具有较低比重的耐热材料。正在被研究的陶瓷和有序金属间化合物具有比较低的比重，可望成为目前使用的传统耐热不锈钢和合金的替代材料。遗憾的是，它们都未能同时具备合适的拉伸塑性、高强度和良好的抗氧化性能，而这些综合性能正是高温工程应用所要求的。由于陶瓷完全没有拉伸塑性，无法发挥其低比重的优点。此外，陶瓷部件一般通过价格昂贵的粉末烧结工艺制备而成。由于陶瓷部件缺乏塑性及价格昂贵，故只能有限地被采用。低比重有序金属间化合物也未能获得合适的室温拉伸塑性，室温断裂韧度也较低。此外，制备这类材料和加工成部件也要采用比较复杂的工艺技术，从而大大地提高了生产费用。加上较低的室温塑性容易引起传送和加工过程的损伤，从而造成高的部件加工废品率。有序金属间化合物的一个例子是Fe₃Al。纯铁是体心立方(BCC)结构的固溶体，具有很高的塑性。与纯铁不同，Fe₃Al是由有序体心立方(BCC)结构构成(一般在室温形成DO₃有序结构，而在高温形成B₂有序结构)。在这种有序结构中，Fe和Al原子被安排在固定的位置上作规则的排列。Fe₃Al具有较低的比重，由于含有较高的铝含量，故在800℃以下具有良好的抗氧化性能。在Fe₃Al材料中的铝在氧化性气氛中容易在表面形成一层氧化皮，虽然这层氧化皮并不很坚固，而且在高于800℃时容易起皮。此外，Fe₃Al的原材料比较便宜。但Fe₃Al很脆，室温抗拉塑性也低，较容易发生沿晶和穿晶断裂。虽然在Fe₃Al中加铬有限地改善其抗拉塑性，而且比重也较轻，其密度大为6.5g/cm³，但是常用的有序Fe-Al-Cr成份却具有较差的高温强度、抗腐蚀能力和抗氧化能力。所以在此领域中继续努力寻求一种价格不高而又具有低比重、一定塑性，优异的抗氧化性能和优异加工性能的耐热材料是人们追求的目标。特别需要的是一种新的铁基合金，该合金应具有低比重，高强度，合适的拉伸塑性和较高的抗氧化和耐腐蚀性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种铁基耐热合金，使其具有抗氧化、耐腐蚀，可铸性和高强度等优异性能，并具有低比重和良好拉伸塑性。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明的主要目的是提供新的具有体心立方结构的铁铝固溶体合金，具体为Fe-Al-Cr-C构成一类材料。本发明的目的是采用常规的工艺技术制备由Fe-Al-Cr-C固溶体相组成的部件或复合材料，而复合材料中每一相都是BCC固溶体，各相的点阵常数基本相同，而形成很好的结构匹配。本发明的另一目的是采用本发明合金生产出增压器部件，特别是涡轮机和压缩机。

本发明主要是关于由体心立方结构的铁铝固溶体，具体为Fe-Al-Cr-C构成的一类材料。这种材料最好含有以下成份，10-80原子％铁，10-45原子％铝，1-70原子％铬及0.9-15原子％碳，其中Al和Cr的总量不得少于30原子％。折算成重量百分比为：12.3-87.0％铁，5.3-29.0％铝，1.2-78.3％铬及0.2-3.9％碳。这种材料具有优异的性能，这种材料通过众所周知的方法获得强化，包括固溶强化、晶粒细化强化、相粒子强化等。该材料还从固溶体内沉淀析出与其点阵参数基本相同的BCC固溶体粒子而得到强化(沉淀强化)。

本发明材料一直到1150℃都具有优异的抗氧化能力，而一直到650℃均可保持优异的机械性能。

本发明包含一类新的Fe-Al-Cr-C体心立方结构的固溶体合金，这类合金具有低比重(在5.5g/cm³～7.5g/cm³之间，最好为6.1g/cm³)，合适的室温拉伸塑性，优异的高温强度，抗氧化能力和耐腐蚀性能。

所发明的合金最优成份为10-80原子％铁，10-45原子％铝，1-70原子％铬及0.9-15原子％碳，其中Al和Cr的总量不得少于30原子％。按照最终性能的要求，改变Cr含量并划成几个Cr含量范围。例如，铸造材料的范围为5-20原子％Cr，而形变材料(锻造)则适宜于比较低的Cr含量，例如，1原子％～10原子％。在本发明中，由粉末X-射线衍射峰的相对强度确定该材料是由BCC相构成。在本发明中，BCC相定义为由单一的BCC相或几种具有基本相同的点阵参数的BCC相组成。在BCC相中出现＜3％非BCC相时仍被定义为BCC相，那就是在BCC相X-射线衍射峰中出现的非BCC峰的强度小于BCC衍射峰的3％时仍确定为BCC相。这个规定只是在确定图1中BCC相边界时才用上，而在边界内只出现BCC衍射峰，而不出现非BCC衍射峰。本发明材料从室温到650℃时屈服强度都高于320MPa，而且从室温到600℃范围强度不但不随温度升高而下降，反而升高或保持不变。对于某些成份，从室温到600℃材料的屈服强度，随温度的升高而急剧升高。这种现象与常规BCC材料不同，BCC材料的屈服强度一般随温度升高而降低。

该合金用下列方法继续强化：

(a)引进另一固溶体相；

(b)晶粒细化；

(c)引进强化相粒子或在固溶体中加入固溶强化合金元素。

通过原有BCC固溶体中沉淀析出另一BCC固溶体粒子进行强化，两固溶体的点阵参数尽量保持一致。通过加入难熔氧化物粒子强化BCC固溶体基体，例如加入Y₂O₃粒子。加入一定量的Cr和C元素，把轻比重的铁-铝合金从有序BCC结构转变为无序BCC结构的固溶体。随着铬含量的增加和铝含量的降低而碳在本发明材料中的固溶度增加。

此轻比重合金具有相当合适的室温拉伸塑性。在随后的性能介绍中看到，低比重、合适的拉伸塑性和高的高温强度的组合是轻比重耐热结构材料发展中的重大技术突破。常规的工艺技术(如铸造)很方便地用来制备各种形状的部件。

本发明材料具有优异的抗氧化性能，以材料在高温下暴露于氧化气氛下的重量变化定义为材料的抗氧化性能好坏。本发明材料的抗氧化性能优于目前使用的不锈钢、耐热钢、耐热合金和高温合金。具体地说，本材料在1000℃空气中暴露100小时后的失重率只有0.2g/m²天，确信优异的抗氧化性能是由于材料中含有大量的铝和铬元素。如果需要，还在材料中加入稀土元素，以进一步改善其抗氧化性能。

由本发明材料成份制备成的部件具有高的高温强度，例如，高达650℃，高于目前使用的不锈钢，大多数耐热钢和耐热合金的高温强度。例如，本发明材料在铸态下，其320MPa屈服强度一直保持到650℃。这种合金强度通过常用的强化途径，如晶粒细化强化(例如通过热轧后的再结晶退火，以改变物件的显微组织)，固溶强化(例如在固溶体中固溶入强化合金元素)和第二相粒子强化等。

第二相粒子强化由外部加入难熔氧化物，如Y₂O₃。更好的办法是通过内部原位技术产生第二相粒子强化。例如，通过调整Fe-Al-Cr-C的成份促成从固溶体内部沉淀出第二相强化粒子，这种粒子仍是BCC结构，它们的点阵参数与固溶体匹配很好。在设定成份范围内，通过调整Fe-Al-Cr-C的含量来控制体心立方结构粒子的数量和分布，这些粒子也具有BCC结构，它们的点阵参数与固溶体基体基本一致，显现很好的配匹，从而消除了相界面上由于两相点阵参数不同而产生的应力，保证了高温相(或显微组织)的稳定性。

由于具有优异的抗氧化性能和高的高温强度综合性能，本发明材料已可立即投入使用，即可用于在高达650℃下氧化气氛中运转的负载部件，也可用于高达1200℃下氧化气氛中服役的无载荷构件。

由本发明材料制成的物件在硝酸溶液中也具有很好的抗腐蚀性能。该材料在室温下，在20％-65％硝酸溶液中的抗腐蚀率为0.01mm/年的失重速率。将该材料按规定的条件测试时，也未发现有晶间腐蚀的迹象。

本发明材料具有合适的室温拉伸塑性，具有很好的高温(高于700℃)拉伸塑性，故具有很好的热加工性能。例如，其室温拉伸延伸率大于5％，900℃左右的拉伸延伸率大于95％。所以本发明材料在高于900℃下很容易被热轧。

由于本发明材料具有优异的可铸性，例如，其熔体具有低的粘度和高的流动性，所以用常规的熔铸技术即可很容易制备出终形成品铸件。物件在可控或保护气氛下，例如在惰性气体或真空下，通过常规感应熔化炉进行熔炼。

本发明已具有实质性特点和显著进步，而且本发明合金比铁镍基合金的材料费用更低，比传统含镍的钢种，如不锈钢、耐热钢和耐热合金要轻20-25％和便宜20-80％，本合金比铁镍基合金或镍基合金增压器涡轮机更加抗氧化。

附图说明

图1为一帧三元相图

具体实施方式

如图1所示，显示BCC的相区，以下结合附图进一步提供实施例：

一物件由常规熔炼技术制成，其成份在图1所示范围之内。按此成份配成的原材料在真空下制成合金熔体，并倒进带有物件形状型腔模壳内，在真空下凝固。该已凝固的铸件在砂箱内和空气中继续冷却至室温形成一铸态物件。然后从模壳中取出该铸态物件，并发现其为Fe-Al-Cr-C的体心立方固溶体，其比重为6.1g/cm³。铸态物件的机械性能列于表1，抗氧化性能列于表2，耐腐蚀性能列于表3。如表1所示，本发明材料具有优异的屈服强度和抗拉强度直至650℃，具有良好的塑性，特别是在900℃下。如表2所示，本发明材料一直至1150℃几乎都是完全抗氧化的。如表3所示，本发明材料具有优异的耐腐蚀性能，包括在65％硝酸中的耐腐蚀性能。

表1 Fe-Al-Cr-C体心立方合金的机械性能

温度(℃)	0.2％屈服强度σy(MPa)	抗拉强度σb(MPa)	拉伸延伸率(％)
温度(℃)	0.2％屈服强度σy(MPa)	抗拉强度σb(MPa)	拉伸延伸率(％)	室温	360	500	5.3
200	375	580	5.8	室温	360	500	5.3
200	375	580	5.8	400	364	617	8.8
500	353	600	8.7	400	364	617	8.8
500	353	600	8.7	600	361	530	8.7
650	324	403	9.3	600	361	530	8.7
650	324	403	9.3	700	170	247	33
750	116	168	43	700	170	247	33
750	116	168	43	800	90	112	66.7
900	54	68	95.8	800	90	112	66.7
900	54	68	95.8	1000	26	32	39.2

表2Fe-Al-Cr-C体心立方合金的抗氧化化性能

温度(℃)	空气中暴露100小时后的重量变化率(g/m²/天)
温度(℃)	空气中暴露100小时后的重量变化率(g/m²/天)	600	0.015
700	0.074	600	0.015
700	0.074	800	0.065
900	0.096	800	0.065
900	0.096	1000	-0.2
1100	-2	1000	-0.2
1100	-2	1150	0.42

如表2所示，本发明材料一直至1150℃几乎都是完全抗氧化的。

表3Fe-Al-Cr-C体心立方合金的耐腐蚀性能

硝酸浓度(％)	腐蚀率(mm/年)
硝酸浓度(％)	腐蚀率(mm/年)	5	0.04
20	0.009	5	0.04
20	0.009	35	0.0084
80	0.0064	35	0.0084
80	0.0064	65	0.0075

如表3所示，本发明材料具有优异的耐腐蚀性能，包括在65％硝酸中的耐腐蚀性能。

在具体应用时，用真空熔模铸造技术已经铸造出最小壁厚为0.5mm的物件。正如下列样品所示，这是一个增压器的涡轮机的铸件，它具有优异的高达650℃的高温强度。与目前增压器采用的铁镍基耐热合金的高温强度相似。然而，由于本发明材料具有较低的比重(6.1g/cm³)，与目前采用的铁镍基铸造合金(8.1g/cm³)相比，降低25％，其比强度因此高出25％。高的比强度和低的比重可使由本发明材料制成的增压器涡轮机比铁铸基合金增压器涡轮机至少轻25％以上。

轻的增压器涡轮机更容易克服惯性，更快地达到运转速度，减少加速时间，从而减少瞬间污染。由于这一效应，加速时间缩短25％以上，导致加速阶段比较重的铁镍合金的增压器的燃烧效率更高。事实上，用本发明的轻合金制成的增压器涡轮机和压缩机将帮助柴油机除了满足稳态废气释放标准外，还能满足瞬间(加速)态的废气释放标准。

本发明很容易铸造成近终形(无余量)物件。这种独特的能力是由于合金熔体的流动性和强化相的特性相结合的结果。实际上，该铸造材料为共晶组织。这种组织结合优异的流动性，保证合金熔体填充到铸件模壳的各个角落，从而铸出近终形(无余量)的物件，这种物件无需最后的精加工即可使用。

本发明可立即应用于船舶、卡车和轿车的高性能柴油机增压器。由于柴油机比汽油机具有更好的燃料经济性，所以被广泛采用。在高速柴油机中采用增压器大大提高燃料经济性，提高柴油机的效率和降低污染。世界上大部分工业卡车和10％的轿车(在欧洲达20％，在日本为10％)使用带有增压器的高速柴油机。一台柴油机增压器是由压缩机和涡轮机组成。从机械动能考虑，涡轮机是最关键的部件，因为它在高温下运转，如高达650℃，承受由于高速旋转产生的高离心应力，并在氧化和腐蚀气氛中运转。目前，增压器涡轮机采用铁镍基或镍基合金铸成，不但昂贵而且很重。由于重量产生的惯性，涡轮机在达到最有效运转的转速前，需要一定的时间去克服这种惯性，所以重量越重，需要克服的惯性越大，所需要的加速时间越大。明证就是当突然加速时，卡车会出现带黑烟的尾气，这种尾气是当涡轮机达到所需要转速前的加速时间段内燃料没有完全燃烧所造成的。由本发明所指的铁铝铬碳合金所制成的增压器涡轮机和压缩机解决上述Fe-Ni基和Ni基制成增压涡轮和压缩机所带来的问题。

Claims

1、一种铁基耐热合金，其特征在于，由Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体构成，其原子百分比范围为：10-80原子％铁，10-45原子％铝，1-70原子％铬及0.9-15原子％碳，折算成重量百分比为：12.3-87.0％铁，5.3-29.0％铝，1.2-78.3％铬及0.2-3.9％碳。

2、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金为多晶体。

3、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是Al+Cr的总量至少为30原子％。

4、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是屈服强度以室温至650℃均大于320MPa。

5、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是被以下方法强化：

a、在原有的固溶体内引入另一个固溶体；

b、晶粒细化；

c、引入由一种强化相构成的粒子，或者在固溶体中加入一固溶强化元素。

6、根据权利要求5所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金从原固溶体内沉淀析出与其点阵参数基本相同的体心立方固溶体粒子而得到强化。

7、根据权利要求1或5所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金通过加入难熔氧化物粒子，以强化原来的固溶体。

8、根据权利要求1或5所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金难熔氧化物粒子为Y₂O₃。

9、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金的比重为5.5至7.5g/cm³。

10、根据权利要求9所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金的比重为6.1g/cm³。

11、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金的屈服强度从室温至600℃保持不变或随温度上升而增加。

12、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金在温度高至1150℃，基本上没有因氧化而产生重量变化。

13、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是合金在900℃的拉伸塑性大于95％。

14、根据权利要求1所述的这种铁基耐热合金，其特征是Fe-Al-Cr-C体心立方固溶体组成复合材料，每个固溶体都是体心立方单相固溶体，这些固溶体具有基本相同的点阵常数。

15、根据权利要求2所述的这种铁基耐热合金，其特征是所述的多晶Fe-Al-Cr-C固溶体，其Al+Cr的总量至少为30原子％。

16、根据权利要求2所述的这种铁基耐热合金，其特征是所述的多晶Fe-Al-Cr-C固溶体，通过沉淀析出另一个体心立方固溶体粒子进行强化。

17、根据权利要求2所述的这种铁基耐热合金，其特征是所述的多晶Fe-Al-Cr-C固溶体，通过沉淀析出另一个体心立方固溶体粒子得到强化，该粒子具有与原基体固溶体基本相同的点阵常数。

18、根据权利要求2所述的这种铁基耐热合金，其特征是所述的多晶Fe-Al-Cr-C固溶体，被加入的难熔氧化物粒子所强化。

19、根据权利要求2所述的这种铁基耐热合金，其特征是所述的多晶Fe-Al-Cr-C固溶体，难熔氧化物为Y₂O₃。